Guide de l'impression 3D en polypropylène : comparaison des processus, des matériaux et des applications

Le polypropylène (PP) est une polyoléfine similaire au polyéthylène. Il s'agit d'un thermoplastique utilisé dans le secteur de la fabrication et des biens de consommation pour la production en masse d'objets courants tels que les bouteilles en plastique. Le polypropylène est formé par polymérisation en chaîne d'un seul monomère de propylène. Il est extrêmement similaire à un autre plastique courant, le polyéthylène. Les deux matériaux sont parfois combinés au cours des processus de recyclage pour produire des fibres de polyoléfine recyclées. Bien que le polypropylène ait été mis au point pour la première fois en 1951 par des employés américains de Philips Petroleum, la recherche et le développement se poursuivent et il existe de nombreuses recherches prometteuses sur les matériaux à base de polypropylène biologique ainsi que sur de nouvelles techniques de recyclage. 

La ductilité, la légèreté et la résistance aux produits chimiques et à l'eau du polypropylène en font un matériau idéal pour les biens de consommation dont les parois sont fines, mais dont la résistance est nécessaire, comme c'est le cas pour les contenants alimentaires en plastique. Son utilisation la plus courante concerne les bouteilles de liquides tels que le shampoing, l'huile de moteur, les solutions nettoyantes et autres, ainsi que les tubes et bouteilles de laboratoire, les contenants alimentaires et pharmaceutiques et les dispositifs médicaux. La production de stores en plastique est un cas d'utilisation courant des matériaux en polypropylène. 

Les qualités ductiles du polypropylène en font un matériau idéal pour la production de pièces comportant des charnières mobiles, telles que les couvercles des boîtes de bonbons ou des flacons de shampoing. Le PP résiste à l'usure et peut être utilisé de manière répétée même dans ces applications.

Les matériaux en polypropylène sont légers, étanches, résistants aux produits chimiques et ductiles. La densité du polypropylène est faible, généralement comprise entre 0,895 et 0,93 g/cm³, ce qui en fait l'un des plastiques les moins denses disponibles et donc bien adapté aux applications légères.

Le polypropylène présente une bonne résistance thermique ainsi que des qualités hydrophobes et oléophobes, ce qui explique son utilisation courante dans le secteur de l'emballage alimentaire. Combiné à d'autres composés, le polypropylène peut devenir très résistant et être utilisé pour des applications techniques soumises à des pressions ou des impacts répétés. La température de fléchissement sous charge (TFC) de nombreuses formes de matériaux en polypropylène est d'environ 100 °C à 0,45 MPa, ce qui, sans être extrêmement élevé, le rend adapté à une large gamme d'applications. 

La poudre de polypropylène, bien qu'elle ne soit pas le matériau le plus couramment utilisé pour l'impression 3D SLS (il s'agit du nylon), reste un matériau très populaire proposé par les fabricants d'imprimantes 3D SLS industrielles. L'omniprésence du polypropylène sur le marché des matières plastiques de base le rend indispensable pour toute entreprise souhaitant offrir des solutions de production pour les utilisations finales. Certaines machines SLS de bureau ou d'atelier ne sont pas compatibles avec la poudre de polypropylène, qui est disponible pour la plupart des grandes solutions industrielles. 

Formlabs a mis au point Polypropylene Powder pour les imprimantes 3D SLS de la série Fuse, rendant accessibles des pièces imprimées 3D en polypropylène de qualité, hautement ductiles et durables. Polypropylene Powder offre un allongement à la rupture de 34 % dans les directions X/Y et de 16 % dans la direction Z, ainsi qu'une résistance à la traction de 29 MPa, ce qui la rend presque identique au polypropylène moulé par injection. Du prototypage à la fabrication de petites séries, la série Fuse et Polypropylène Power permettent des processus de travail qui éliminent l'outillage coûteux et ouvrent de nouvelles possibilités de conception.

Grâce à son coût abordable, la série Fuse rend l'impression 3D SLS en polypropylène accessible aux concepteurs de produits, aux ingénieurs et aux fabricants qui cherchent à combiner les avantages du polypropylène avec la puissance de l'impression 3D en interne. 

HP propose un matériau en poudre de polypropylène MJF depuis 2020. Les utilisateurs de MJF tirent parti de la capacité de la poudre de PP à créer de véritables parties en polypropylène afin de créer une continuité dans les étapes de prototypage et de conception, de sorte que lorsque le prototypage se transforme en production de masse, les propriétés des matériaux peuvent rester les mêmes tout au long de la production. La poudre de polypropylène de HP offre un allongement à la rupture de 20 % et une résistance à la traction de 30 MPa, ce qui la rend similaire en termes de performances à la poudre de polypropylène de Formlabs pour la série Fuse, mais avec un allongement à la rupture légèrement moins bon.

Un seul des cinq modèles d'imprimantes MJF de HP est compatible avec la poudre de polypropylène de l'entreprise, il convient donc de s'en assurer avant d'acheter.

L'impression de pièces en poudre de polypropylène sur les imprimantes HP MJF nécessite un grand nombre des mêmes étapes que l'impression 3D SLS du polypropylène. Étant donné que de nombreuses imprimantes MJF sont plus grandes que les imprimantes de la série Fuse, il convient d'utiliser un algorithme de conditionnement pour éviter tout déchet inutile de poudre. Les imprimantes MJF nécessitent des circuits électriques dédiés, de grandes surfaces au sol et souvent un opérateur dédié qui a été formé à l'utilisation de l'appareil.

Après l'impression, les pièces subissent des étapes de dépoudrage et de sablage, et peuvent ensuite faire l'objet d'un traitement après impression avec toute une série d'options pour obtenir une finition de qualité pour l'utilisation finale. Ces méthodes de traitement après impression peuvent aider à faire passer les parties en polypropylène du stade de prototype à la qualité de production finale.

L'impression 3D MJF du polypropylène fournit des parties qui représentent fidèlement les propriétés des matériaux en polypropylène moulé par injection, une qualité importante pour tous ceux qui cherchent à maintenir un seul matériau tout au long des étapes de conception et de production. Les imprimantes MJF créent des parties de haute qualité de manière fiable et peuvent être utilisées pour des volumes de production grâce à leurs chambres de fabrication plus grandes.

Cependant, les imprimantes MJF sont coûteuses, et peuvent souvent coûter plus de 340 000 €, y compris les contrats de maintenance annuels, les besoins en infrastructures dédiées et la poudre coûteuse.

De nombreux fabricants proposent des options de filament de polypropylène, mais elles sont plus chères que d'autres matériaux d'impression 3D FDM plus courants, tels que le filament ABS ou PLA. La TFC plus élevée du polypropylène signifie que les imprimantes 3D FDM doivent maintenir une température élevée à la fois pour l'extrudeuse et la chambre d'impression, il est donc important de confirmer la compatibilité avant de choisir une imprimante FDM ou d'acheter du filament pour créer des pièces en polypropylène.

Le polypropylène imprimé en 3D par FDM n'est pas adapté aux applications plus avancées comme les pièces finales, où la poudre de polypropylène SLS et MJF excelle. Il existe des imprimantes bon marché capables d'imprimer des PP à partir de 1000 €, des imprimantes milieu de gamme qui coûtent environ 3500 € et des systèmes industriels qui démarrent aux alentours de 15 000 €.

Le filament de polypropylène est plus difficile à imprimer que les matériaux FDM standards. Il nécessite une température d'extrusion d'environ 240 °C avec une température du lit allant de 85 à 120 °C. L'impression de pièces en polypropylène sur une imprimante FDM nécessite également que l'imprimante soit équipée d'un ventilateur de refroidissement – le filament de polypropylène peut se déformer pendant l'étape de refroidissement ou de sertissage, et un ventilateur peut aider à atténuer ce risque en distribuant uniformément l'air froid autour de la pièce.

L'impression 3D FDM de polypropylène est une bonne méthode pour créer rapidement et à peu de frais des premiers prototypes ou des modèles visuels. L'accessibilité de nombreuses imprimantes 3D FDM, tant en termes de coût que de flux de travail, en fait une bonne technologie pour les amateurs qui cherchent à concevoir des biens de consommation, ou pour les concepteurs de produits qui veulent un premier modèle physique avant de démarrer des étapes de conception plus avancées. 

Les imprimantes 3D FDM ne créent pas de pièces isotropes ou étanches, de sorte que les pièces en polypropylène FDM ne peuvent pas fonctionner efficacement comme des bouteilles, des boîtiers ou des tubes, qui sont des applications courantes du polypropylène.

Formlabs propose plusieurs résines qui conviennent parfaitement au prototypage dans des applications où le polypropylène sera finalement utilisé, comme les emballages de produits de consommation. Comme il existe différents types de polypropylène, plus d'une résine qui peut remplacer ce matériau dans chaque application. 

Tough 1500 Resin offre des propriétés très similaires à celles du polypropylène moulé par injection. Avec une résistance à la rupture de 33 MPa et un allongement à la rupture de 51 %, elle est légèrement plus souple que le polypropylène moulé par injection. 

Durable Resin offre un allongement similaire (55 %) mais une résistance à la rupture par traction plus faible (28 MPa), et est plus souvent utilisée à la place des matériaux en polyéthylène. 

Le flux de travail pour l'impression de matériaux de type polypropylène avec la technologie SLA dépend du fabricant de l'imprimante. Les flux de travail et les coûts des imprimantes peuvent aller de coûts d'entrée de gamme et de flux de travail faciles à des flux de travail complexes et à des appareils très coûteux. Les imprimantes SLA Form 3+ de Formlabs, disponibles à partir d'environ 2500 €, sont abordables et offrent un flux de travail intuitif et épuré.

Après avoir choisi une résine pour simuler le polypropylène, insérez la cartouche de résine à l'arrière de l'imprimante et démarrez l'impression. Une fois l'impression terminée, les pièces devront être lavées et, si vous utilisez Tough 1500 Resin ou Durable Resin, elles devront subir une post-polymérisation. Ces deux étapes peuvent être optimisées grâce aux solutions de post-traitement de Formlabs : la Form Wash ou la Form Wash L et la Form Cure ou la Form Cure L. 

L'impression 3D SLA avec des matériaux de type PP est idéale pour les prototypes fonctionnels de haute qualité et les pièces de prototypage normalement produites avec du polypropylène. Pour les clients SLA qui impriment déjà avec des imprimantes SLA, l'utilisation de Tough 1500 Resin ou de Durable Resin pour simuler des pièces en polypropylène est un moyen facile et peu coûteux d'obtenir des performances mécaniques similaires. Le passage d'une résine à l'autre est simple et ne nécessite aucune étape de nettoyage. 

Le principal inconvénient de l'impression avec ces résines est qu'il ne s'agit pas de véritables matériaux en polypropylène. Il y aura donc un certain décalage entre la conception et la production si vous utilisez ces résines pour le prototypage ou la conception.